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小石头,大陆是什么时候开始漂的呢?

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大家是否还记得小学课本上的那个故事:在1910年的一天,年轻的魏格纳在生病住院期间看到地图上海岸线吻合的巧合提出了著名的大陆漂移假说。而同样因疫情呆在家的你有没有想过大陆是什么时候开始漂起来的呢?


(图片来自人教版小学四年级语文课本插画)

尽管大陆漂移假说大家已经耳熟能详了,它指出地球表面发生着大规模的水平移动,大陆会不断地拼合又分离。其实大陆漂移假说也有当时的局限性,它没办法解释大陆为什么会漂移,也就是说,让大陆这个大家伙动起来的动力是什么。

不过幸运的是,后来的地球科学家们发展出了板块构造理论,这一理论认为,地球表层可以分为若干板块,这些板块之间会发生相对运动,板块的相对运动带动了位于板块上的大陆和海底的运动,从而产生了大陆漂移的现象。在一些板块边界处,岩浆上涌并冷却形成新的板块,而另一些边界处一个板块插入另一个板块下面,发生俯冲,板块消亡。上涌的岩浆推着板块、而俯冲的部分在重力作用下拉着板块,共同使得板块运动起来,并形成了一些宏伟壮丽的地质景观。(关于板块构造更详细的介绍,我们未来可能会在其他推文中进行详细的介绍,关注石头科普工作室,获得我们最新的科普介绍。)



了解了大陆为什么会漂起来之后,大家自然也会好奇它到底是什么时候漂起来的。在板块构造理论的框架下,这个问题更准确的表述是:板块构造何时开始?这个问题对了解地球是如何演化成现今的样子十分重要,是重要的地球科学问题之一[1],但至今为止,这一问题还具有很大的争议。这篇文章将简单介绍研究这一问题的方法,以及目前科学家们对这一问题的争议所在。

其实想要了解一个持续的事件什么时候开始,有两种主要方法,一是从开始往后看,看什么时候具备了这件事发生的条件;另一种是从结尾往前看,看这件事造成的影响什么时候出现。通俗的例子是,如何知道小明是什么时候开始读研究生了呢?可以从两方面看,一方面,读研究生需要小明拿到了学士学位,那么他开始读研究生的时间一定不会早于他本科毕业的时间,另一方面,读研究生会大量掉头发,

那么他开始读研究生的时间就不会晚于他大量掉头发的时间。


类似地,研究板块构造何时启动,一方面,可以建立热力学和动力学的模型,模拟地球形成后所处的状态,看它从什么时候开始,具备了形成板块构造的条件。另一方面,可以对古老的岩石进行岩石学和地球化学的研究,观察其是否具有一些板块构造活动的痕迹。

01 对活动遗迹的观察

板块构造产生了活跃的地壳运动与快速变迁的地表,造就了非常丰富多彩的地质景观,但也让地球培养了一个非常不好的习惯,即在漫长的演化历史中,地球一直在抹去自己的历史。在今天的月球和火星上,保存着大片40亿年前的地壳,而地球上,大于40亿年的岩石,至今一块也没有找到。就像一个思维活跃的作家,总是不断丢弃写得不好的稿件,而眼前的稿纸上常常一个字都没有。


当然,如果翻一翻垃圾桶,还是可以发现这位作家曾经的思维活动。尽管越古老的证据往往越难发现,但它们却记录了十分重要的证据。古老的变质岩可以记录一些局部的构造活动的证据,而沉积岩则可以记录大范围的上地壳成分。而从这些信息里,可以窥探板块活动的遗迹。那为什么这两种岩石可以记录板块构造的遗迹呢?

一方面,俯冲过程是一种十分重要的板块运动的方式,而俯冲过程时两个板块挤压、拼合在一起会形成特殊的岩石组合,就像两张材质不同的稿纸被粘在了一起,在重新撕碎之后总有一部分碎片中可以看到两种不同的纸质。同时,俯冲过程会将一些地表的物质带入上覆板块之下,这些物质在则会改造上覆的板块,使得上覆板块的稀土元素组成、同位素组成会发生变化,形成特征的组成特征,就像印上了俯冲过程的指纹一样。


(一些特征的岩石组合可以反应俯冲过程,图来自文献[2])

另一方面,板块构造会使得大陆地壳的成分发生变化,而现在我们观察到的长英质的大陆地壳就是板块构造过程改造后的产物,所以大陆地壳何时变成现在的模样就可以反应板块运动开始的时间。而陆源碎屑沉积岩就记录了历史时期大陆地壳的模样。它是大陆地壳在风化成碎屑后经搬运、沉积形成,搬运过程中它混合了一大块区域的地壳物质,可以反应大范围地壳的平均成分。可以说,陆源碎屑沉积岩就是地球陆壳的历史书,记录了地壳成分的变迁。


(沉积岩记录了地壳的变迁史,图片来自文献[3],Chapter 5)

1.1

大陆地壳平均成分的证据

那大陆地壳的平均成分是如何变化的呢?其实这也是一个令人头疼的问题。尽管如上所述,搬运、沉积过程是一个天然的混合机器,但它仅对不可溶元素是公平的,对Mg、Si这类可溶元素而言,在风化、搬运过程中,岩石矿物会和水发生反应,可溶元素不同程度地被水带走,从而沉积岩中的可溶元素组成并不能反应陆壳中的可溶元素。然而,不巧的是,Mg、Si又恰恰是我们最关心的元素,因为它们直接决定了地壳上暴露的火成岩的类型。



(显微镜下化学风化对矿物的侵蚀,图源[3],Chapter 10)

所以科学家们需要一些替代性指标来反应Mg、Si的组成,这些替代性指标需要同Mg和Si的组成具有良好的相关性,又需要在风化、搬运过程中不发生分异。打个比方,如果我们想知道张三正常发育时的体重,但是张三有一天突然被李四打折了腿,在床上修养的过程中身体严重发福,那么现在张三的体重肯定不能代表他正常发育应该带来的体重,不过我们发现他的双胞胎兄弟王五从小就和张三身材、体重乃至饮食习惯都一模一样,所以我们就可以观察在张三被揍时成功溜走的健康的王五的体重来反应张三应该具备的正常体重。

科学家们开发出了很多这样的指标,如Rb/Sr、Ni/Co、Cr/Zn、Ti同位素、Cu同位素等。但是不同指标带来的结果却并不十分一致。例如对火成岩Sr-Nd大数据的分析显示,地壳成分由镁铁质(板块活动前的特征)转换为长英质(板块活动后的特征)的时间为30亿年[4]。而利用页岩和冰碛岩中Ni/Co、Cr/Zn比值反演得到的结果却显示长英质大陆地壳是在25亿年才开始大量出现[5](如下图)。而利用页岩中Ti同位素的结果则显示早在35亿年前,大陆地壳就存在着大量的长英质成分[6]。


(文献[5]中反演得到的大陆地壳组分的变化,图例经笔者翻译)


(文献[6]中反演得到的大陆地壳组分变化,图例经笔者翻译)

而出现这些差异的主要原因是所选取的替代指标并不十分理想,可能具有多解性。也就是说,这些替代指标与Mg、Si组成的关系并不是简单的一一对应的。例如,文献[6]中使用的Ti同位素指标与Si含量的相关关系受到后续研究的质疑[7],后续的研究发现,不同类型的岩浆序列会带来不同的Ti同位素与Si的相关关系。就好比一把具有两套刻度盘的尺子,在读数时混乱记录了不同刻度的数据,以致得不到有价值的数据。


(具有两种刻度系统的尺子,图片来自百度,麻烦友商看到商标后支付广告费呀!)

1.2

局部的证据

尽管对上地壳平均组成的争议还在继续,它们的争论焦点却还处在30亿年附近。但来自局部的证据却发现了大量的早于38亿年的局部板块活动证据。

当科学家们利用锆石的同位素定年方法确定一块地体的年龄后,对这一地体进行系统的研究就可以反映当时所发生的故事。

(关于同位素定年的原理可以参考公众号往期文章:)

科学家们在格陵兰岛地区发现了具有38亿年历史的玄武岩,经研究发现它的稀土元素指纹具有同现代俯冲玄武岩相似的特征[8],从而推测该区域在当时就已经发生了俯冲过程。而对于同一地区的角闪岩中也发现了相似的证据,其中的未分化角闪岩具有海底扩张的痕迹,而板状角闪岩具有俯冲作用的后果[9]。同时,对加拿大一块具有39.5亿年历史的地体进行的岩石学调查工作[2]则发现了观察到了增生杂岩体、蛇绿岩和花岗岩基岩,以及铁镁质岩、碳酸盐岩、BIF的现代海洋板块层序(如下图),尽管这些名词堆砌起来大家已经晕头转向,但只需要知道它是俯冲区域的特征岩石组合,所以可以推测当时就已经存在了俯冲运动。


(文献[2]中还原的39.5亿年加拿大Saglek地块的构造模式)

类似的证据还有很多,总之,科学家们根据特征岩石组合、元素和同位素指纹、变质岩地热梯度等特征可以发现板块活动的遗迹,辅以同位素定年工作,就可以确定板块活动早在何时已经发生。不过由于古老的样品十分稀少,同时定年的工作往往只能对一块岩石、甚至一颗矿物进行定年,是否能代表同一地区的岩石年龄还需要谨慎的论证。所以所观察到的俯冲现象是否真的在那么早的时间发生,还需要更进一步的证据支持。

02 发生板块构造的条件

尽管观测到了大量的早期俯冲证据,但对35亿年以前地球所处状态的研究却表明当时的地球并不易发生板块构造活动。

在地球刚形成时,地球还是一个炽热的“火球”,岩石大量融化,在地球表层形成宏伟的岩浆海。之后地球开始冷却,岩浆海逐渐结晶,形成初始的地壳。但形成地壳后的地球并不容易形成持续的板块构造活动,而更倾向于形成稳定盖层的地幔对流形式。当时的地球就像一个正在火锅中翻滚的撒尿牛丸,尽管其内部(地幔)在强烈的翻滚、对流,但外部(地壳)却保持相对稳定的状态。


(炙热的早期行星想象图,来自百度)


(火锅中翻滚的撒尿牛丸,动图,来自百度)

尽管早期地球不具备稳定存在现今板块构造模式的条件,但一些事件也会启动局部的板块构造活动。例如:小行星撞击!


(小行星撞击地球想象图,来自百度)

一篇考虑小行星撞击过程对早期地球影响的论文发现[10],一些足够大的撞击体撞击地球后,可以使地幔发生强烈的扰动,这样就可以使驱动地表的板块发生分裂,并形成局部的板块运动并发生俯冲过程。而这种由撞击驱动的俯冲模型也可以解释一些火星上存在的地体,如Tharsis地体[11]。


(文献[10]的模拟结果,一些撞击事件可以造成近整个地球的地幔扰动)

这些模拟结果说明,之前观察到的俯冲过程确实可以在地球很早的时期就发生。但也提醒我们,发生俯冲过程并不意味着形成了现代的板块构造过程。就好似于张三腿被打折之后又很快愈合了,尽管我们可以看到张三曾经受伤的痕迹,但不能说明张三处在一个不断被揍的过程。现代的板块构造必须是一个稳定存在的、全球尺度上的板块产生又消亡的过程,局部的遗迹可能并不能指示现代的板块活动。而一些研究结果也表明[12],在地球早期,局部的板块撕裂并不能发展成全球尺度上的板块活动,而是会在局部发生俯冲后很快“愈合”。

03 小结

对于板块构造何时开始的问题目前还没有定论,不过越来越多的研究也正在致力于理解这一问题,相信未来某一天我们可以真正了解到地球母亲的神秘历史。而科学家们所积累的方法和技术手段也可以帮助我们理解其他行星的起源与演化,在有一天我们冲出地球殖民宇宙的那一天,为开发新世界而服务。我们的征途是星辰大海


PS: 本文是由石头科普工作室成员在中国科大青年科学家张少兵教授组织的关于板块构造启动时间的课堂辩论后根据讨论内容加工撰写,并大量参考了微区分析公众号上由唐铭教授发表的两篇研究心得板块构造的启动时间(一)(二)的内容。本文作者为在读研一学生,水平有限,难免出现疏漏,希望大家在评论区积极批评指正。

参考文献:

[1] 张志强, 郑军卫, 王天送 等译. 地球的起源和演化——变化行星的研究问题. 2010.

[2] Komiya, T. et al., 2015. Geology of the Eoarchean >3.95 Ga, Nulliak supracrustal rocks in the Saglek Block, northern Labrador, Canada: The oldest geological evidence for plate tectonics. Tectonophysics, 662(0): 40-66.

[3] Hamblin, W.K., Christiansen, E.H., 1992. Earth's Dynamic Systems.

[4] Dhuime, B., Wuestefeld, A., Hawkesworth, C.J., 2015. Emergence of modern continental crust about 3 billion years ago. Nature Geosci, 8(7): 552-555.

[5] Tang, M., Chen, K., Rudnick, R.L., 2016. Archean upper crust transition from mafic to felsic marks the onset of plate tectonics. Science, 351(6271): 372-375.

[6] Greber, N.D. et al., 2017. Titanium isotopic evidence for felsic crust and plate tectonics 3.5 billion years ago. Science, 357(6357): 1271-1274.

[7] Deng, Z. et al., 2019. Titanium isotopes as a tracer for the plume or island arc affinity of felsic rocks. Proc Natl Acad Sci U S A, 116(4): 1132-1135.

[8] Jenner, F.E. et al., 2009. Evidence for subduction at 3.8 Ga: Geochemistry of arc-like metabasalts from the southern edge of the Isua Supracrustal Belt. Chemical Geology, 261(1-2): 83-98.

[9] Furnes, H., Rosing, M., Dilek, Y., de Wit, M., 2009. Isua supracrustal belt (Greenland)—A vestige of a 3.8 Ga suprasubduction zone ophiolite, and the implications for Archean geology. Lithos, 113(1-2): 115-132.

[10] O’Neill, C., et al. (2017). "Impact-driven subduction on the Hadean Earth." Nature Geoscience 10(10): 793-797.

[11] Yin, A. (2012). "An episodic slab-rollback model for the origin of the Tharsis rise on Mars: Implications for initiation of local plate subduction and final unification of a kinematically linked global plate-tectonic network on Earth." Lithosphere 4(6): 553-593.

[12] Bercovici, D., Ricard, Y., 2014. Plate tectonics, damage and inheritance. Nature, 508(7497): 513-516.

作者:肖子聪

美编:刘俞伶


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